FPGA（Field rogrammable Gate Array）

       于1985年由xilinx创始人之一Ross Freeman发明，虽然有其他公司宣称自己发明可编程逻辑器件PLD，但是真正意义上的颗FPGA芯片XC2064为xilinx所发明，这个时间差不多比摩尔老先生提出的摩尔定律晚20年左右，但是FPGA一经发明，后续的发展速度之快，超出大多数人的想象，近些年的FPGA，始终引进的工艺。

    1：通信高速接口设计。FPGA可以用来做高速信号处理，这个其实理解起来也很简单，信号是以电磁波的形式传递的（可以想象之前学习的三角函数），波的周期越短，那传递的内容就越多，当传递的内容到一定程度的时候，一般认为波的频率是50Mhz，就是高速信号。

       如果AD采样率高，数据速率高，这时就需要FPGA对数据进行处理，比如对数据进行抽取滤波，降低数据速率，减少信号重叠，使信号容易处理，传输，存储。

　   2：数字信号处理。比如图像处理，雷达信号处理，医学信号处理等。优势是实时性好，用芯片面积换速度，比CPU快的多。

　   3：更大的并行度。这个主要是通过并发和流水两种技术实现。并发是指重复分配计算资源，使得多个模块之间可以同时独立进行计算。

      下图是芯片的结构，大量的可编程单元，排列在一起，构成FPGA芯片

FPGA的基本特点

1：采用FPGA设计ASIC（某一个领域的专用芯片电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。FPGA是ASIC电路中设计周期短、开发费用、风险的器件之一

2：FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3：FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚（主要是与外部设备进行数据交换的端口）。

4：FPGA采用高速CHMOS工艺（一种芯片工艺，除了保持HMOS高速度和高密度之外,还有CMOS低功耗的特点。），功耗低，可以与CMOS电平、TTL（数字集成电路的一大门类）电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的选择之一。那么fpga的应用领域有哪些呢？主要的方向又是什么呢？

FPGA应用的三个主要方向

      个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求芯片研发单位懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMC/EMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。

      FPGA初以及到目前广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。

      第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学水平，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。

      目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码（通信工程领域领域，涉及到基础科学，国内有相关技术的公司极少，如华为，中兴）以及图像以及视频信号处理等领域（此类公司的非常的多，代表之一是索尼），其它领域的研究正在开展中，比如大量使用的主要原因还是因为学金融的、学医学，近几年有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理（如核磁共振，CT等），相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来。

       第三个方向就是所谓的SOPC方向（是一种特殊的嵌入式系统，即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能，有灵活的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能，Soc和sopc区别在“p”，可编程性，SOC是厂家设计好的，不能改变的，），其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发。

       对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到个方向的知识。

      就目前SOPC方向发展其实远不如和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处理器，或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。

       但大多数的嵌入式设计却是以软件为，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入人心，大多数以ARM为的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬件场合确实很少。通常是在一些特种行业才会在这方面有非常迫切的需求。

       目前Xilinx已经将ARMcortex- A9（一种芯片架构）的硬核嵌入到FPGA里面，未来对嵌入式的发展有很大推动，不过，还有很多老掉牙的8位单片机还在嵌入式领域里面发光发热，嵌入式主要不是靠硬件的差异而更多的是靠软件的差异来体现价值的。

FPGA的三大领域

一、数据采集和接口逻辑领域

       1、FPGA在数据采集领域的应用 由于自然界的信号大部分是模拟信号，因此一般的信号处理系统中都要包括数据的采集功能。通常的实现方法是利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后，送给处理器，比如利用单片机（MCU）或者数字信号处理器（DSP）进行运算和处理。 对于低速的A/D和D/A转换器，可以采用标准的SPI接口来与MCU或者DSP通信。

      但是，高速的A/D和D/A转换芯片，比如视频Decoder或者Encoder，不能与通用的MCU或者DSP直接接口。在这种场合下，FPGA可以完成数据采集的粘合逻辑功能。

2、FPGA在逻辑接口领域的应用

       在实际的产品设计中，很多情况下需要与PC机进行数据通信。比如，将采集到的数据送给PC机处理，或者将处理后的结果传给PC机进行显示等。PC机与外部系统通信的接口比较丰富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。

       传统的设计中往往需要专用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比较多，就需要较多的外围芯片，体积、功耗都比较大。采用FPGA的方案后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现了，大大简化了外围电路的设计。

       在现代电子产品设计中，存储器得到了广泛的应用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。这些存储器都有各自的特点和用途，合理地选择储存器类型可以实现产品的性价比。由于FPGA的功能可以完全自己设计，因此可以实现各种存储接口的控制器。

3、FPGA在电平接口领域的应用

      除了TTL、COMS接口电平之外，LVDS、HSTL、GTL/GTL%2B、SSTL等新的电平标准逐渐被很多电子产品采用。比如，液晶屏驱动接口一般都是LVDS接口，数字I/O一般是LVTTL电平，DDR SDRAM电平一般是HSTL的。 在这样的混合电平环境里面，如果用传统的电平转换器件实现接口会导致电路复杂性提高。利用FPGA支持多电平共存的特性，可以大大简化设计方案，降低设计风险。 　　

1、高性能数字信号处理领域

       无线通信、软件无线电、高清影像编辑和处理等领域，对信号处理所需要的计算量提出了极高的要求。传统的解决方案一般是采用多片DSP并联构成多处理器系统来满足需求。 但是多处理器系统带来的主要问题是设计复杂度和系统功耗都大幅度提升，系统稳定性受到影响。FPGA支持并行计算，而且密度和性能都在不断提高，已经可以在很多领域替代传统的多DSP解决方案。 例如，实现高清视频编码算法H.264。

       采用TI公司1GHz主频的DSP芯片需要4颗芯片，而采用Altera的StraTIxII EP2S130芯片只需要一颗就可以完成相同的任务。FPGA的实现流程和ASIC芯片的前端设计相似，有利于导入芯片的后端设计。

具体应用领域

1：电气化与汽车联网

如网关控制器/车用PC机、远程信息处理系统，自动驾驶，驾驶员辅助系统等。以赛灵思例子（参考赛灵思，汽车页面）

辅助驾驶/自动驾驶

      高度自动化驾驶及全自动驾驶在未来出行中是大势所趋。从 OEM 厂商和供应商到机器人出租车开发人员和用户，所有利益相关方无不期望自动驾驶汽车（无论是测试车队还是量产车）具有的安全性及可靠性。赛灵思汽车（XA）平台在为极为先进的AD模块提供动力方面发挥着关键作用

公司/：

百度/Apollo：（环绕摄像头方案，赛灵思汽车级异构计算平台 Zynq UltraScale%2B MPSoC）

斯巴鲁：（前向摄像头方案，赛灵思汽车级异构计算平台 Zynq UltraScale%2B MPSoC，位于张江）

Xylon（环绕摄像头方案）

魔视智能（环绕摄像头方案，赛灵思汽车级异构计算平台 Zynq UltraScale%2B MPSoC）

Continental（4D雷达方案，赛灵思汽车级异构计算平台 Zynq UltraScale%2B MPSoC）

电气化与联网

电动车管理 ECU

1：车辆动力学和预测性维护可以使用XA Zynq-7000和XA Zynq UltraScale%2B MPSoC平台中的低时延AI处理功能进行加速

2：灵活的PL硬件流水线能够处理多种必须同时处理的协议，以处理复杂车辆通信并对关键数据进行实时操作

车载充电器、电池管理系统和 EV 电机驱动控制

1：利用与应用软件紧密耦合的硬件加速器，越来越多地使用 AI 和硬件加速来驱动基于模型的算法，以实时适应底层硬件的行为

2：PL 可提供独特而灵活的方式来降低 EMI ，限度减少损耗并生成针对特定平台的 IO 映射

生态合作伙伴（不是终端厂家，是技术方案合作方）：

QDESYS：MOTOR CONTROL FPGA IP - Embeded software - Qdesys

MathWorks：MathWorks.cn

silexinsight：silexinsight.com

车载系统

汽车制造商和供应商的创新发展，车载系统的复杂性不断增加。 赛灵思汽车 (XA) 平台在一系列系统中为驾驶员和乘客带来车载体验的转变，包括信息娱乐、驾驶员信息以及驾驶员监控系统和车内监控系统等，为所有车载应用提供了安全性和可靠性。

公司/：

奔驰：Zynq UltraScale%2B MPSoC 平台助力实现基于 AI 的手势输入系统

2：军事领域

如安全通信、雷达和声纳、电子战。（我们几乎接触不到）

3：测试和测量领域

如通信测试和监测、半导体自动测试设备、通用仪表。

4：XILINXAV与广播

1：A/V领域

       我们的生活被的AV设备所包围，从零售广告中的数字标牌，到现场活动中的麦克风和大屏幕显示；从教堂的现场直播到石油、天然气/运输的控制室。此外，的AV应用，如企业和教育投影仪和协作工具，以及用于模拟和可视化的 AR/VR，需要在不牺牲视频质量、延迟或控制的情况下进行成本效益设计。

       FPGA平台可快速适应新兴AV（音频和视频）技术，并按需提供了对应用无损编解码器的网络的访问。还可以将的AI/ML技术和多媒体管道集成至成本优化的器件中。

端到端的广播及电影工作流程

      简单的介绍影视片的流程，考虑内容是如何进入屏幕。

      首先，在工作室或现场使用麦克风和高分辨率摄像机采集内容。接下来是制作和后期制作，其中包括混合、切换、编辑、添加图形、色彩校正等。使用AV路由器等基础设施设备和网络在工作室、部门和设施内移动媒体，实现严格的同步和元数据管理，以进行归档和检索。通过编码压缩和存储媒体，或将其传送给用户，他们可在任何设备或电影院欣赏内容。通过整合软件可编程性、实时音视频处理、硬件优化媒体连接的整个工作流程提供基于标准的高灵活差异化解决方案。

5：消费电子

      消费类产品趋势很难预测，变化很快，因此要取得成功，就必须快速上市，并能调整技术实现创新，以吸引早期采用者。

       FPGA可为软硬件开发人员提供与业界工具相结合的SoC及FPGA产品系列。我们的解决方案支持广泛的消费类应用，无论是其 8K 视频网络、快速可靠的打印、复杂的人工智能分析，还是只是将多个器件集成在一个芯片中，我们都能帮助您满足您的商业及技术需求。

仿真与原型设计

       基于 FPGA 仿真与原型设计可快速、准确地实现 SoC 系统建模和验证并加速软件和固件的开发。

ASIC仿真实现

       硬件仿真是对开发中的系统进行调试和功能验证的过程。综合硬件功能验证对于降低开发成本和缩短上市进程至关重要。处理设计修改时，仿真可提供快速启动和快速周转时间。此外，仿真还可提供高度的设计可访问性及调试可见性，这样，ASIC 设计人员就可在流片前发现潜在的硬件故障。

       随着软件复杂性和成本的急剧上升，早期的硬件验证对于降低风险和加速系统开发至关重要。 为了限度提高系统性能并使用仿真器实现可预测的更快设计周期，FPGA提供了的设计方法和设计开发平台。比如赛灵思的Vivado设计套件向仿真类系统设计人员提供了业界一流的开发体验。这是赛灵思第三代仿真类工具、IP及设计流程。

基于FPGA的原型设计

       基于 FPGA 的原型设计是在一个包含一个或多个FPGA的平台上实现，综合 ASIC RTL 的过程。原型设计在流片之前完成，作为芯片前系统验证流程的一部分，但也可用于软件开发的后期流片。此外，原型设计平台还包括与目标 ASIC 一起使用的外设及内存的接口。

       硬件验证和SW/FW开发是 SoC 设计成本的主导因素。在流片之前，原型设计过程中的软硬件协同验证允许开发人员在真实部件供货之前，启动软件，实现自定义特性。此外，使用Xilinx Vivado设计套件，还可协同优化设计流程，其不仅可降低成本和流片风险，而且还可提高效率，缩短上市时间。

代表型号：

1：Virtex-7 2000T FPGA
2：Virtex UltraScale? VU440 FPGA

       赛灵思一直是容量FPGA的市场。16nm Virtex UltraScale%2B系列现在包括世界上容量的FPGA Virtex UltraScale%2B VU19P FPGA

7：工业/视觉

机器人:

       工业自动化系统的终表现。工业控制、通信、机器视觉、机器学习、人机界面、网络安全和安全可能是在构建合作机器人、工业机器人或机器人的其它商业应用时需要考虑的关键技术。 驱动／马达控制:可带来嵌入式分析及毋庸置疑的确定性、高性能和高功率效率。

3D 打印机与增材制造：

      3D打印领域正在材料与工艺、速度与复杂性，以及从制造商到大规模制造的商业模式等多个领域迅速发展。

PLC/PAC/IPC：

      可编程逻辑控制器 (PLC) 从其作为 Automation Pyramid 中的专用层的经典角色发展成了具有多种可定制功能的灵活智能边缘节点。尽管 IEC 61131 的软件运行时可保证传统 PLC 功能，但同一组件中的网络卸载、图像处理和数字孪生体可提高这类工业产品的价值。

IIoT网关与边缘设备：

      智能基础架构是灵活应变工业解决方案的关键，这些解决方案不仅可随应用的发展而发展，而且还允许在工厂的位置实现自动化。一个关键因素是能够在几乎任何地方实时获取自动化数据，不会让基础架构充斥不必要的信息。网关可处理来自多个来源的信息，因此端口的可扩展性以及管理大量数据的功能都很重要。自适应SOC具有适应端口数的可编程性以及可为您的任务启用优化处理器组合的异构架构，因此是理想的选择。所有的数据都触手可及，因此这也是机器学习可用来针对其做决策的好地方。

8：医疗与保健

       通过异构多处理、I/O灵活性、基于硬件的确定性控制以及在网络安全、安全性和机器学习领域的全面解决方案，满足可扩展医疗保健平台不断增长的需求。

9：无线与通信